高模数水溶性硅酸锂的制造方法及其在木材加工中的应用

摘要

本发明涉及高模数水溶性硅酸锂的制造方法及其在木材加工中的应用。它包括下列步骤：(1)将水合氢氧化锂和去离子水加入不锈钢反应釜中；(2)在搅拌下，经过反应釜的夹套通入蒸汽或热水，加热升温到85℃；(3)分次加入二氧化硅；(4)在加入最后一批二氧化硅后，升温到95℃；(5)待釜中物料粘度变小时，取样测定固体分，补加因蒸发损失减少的水分，调整到规定的固体份，即可出锅。该粘合剂除了在无机涂料和耐火材料制造中使用外，也可在木材加工中使用。用该产品处理过的木制品，具有防火、防潮、防腐烂和防白蚁的功效。用于木材粘结时，可彻底消除三醛胶造成的甲醛对室内空气的污染和对人体的危害。

说明书

技术领域：

本发明涉及水溶性硅酸锂的制造方法及其应用技术领域，特别涉及高模数水溶性硅酸锂的制造方法及其在木材加工中的应用。

背景技术：

对无机粘结剂的研究最早可追溯到上世纪五十年代。到了六十年代和七十年代，由于石油危机的影响，化学家对无机粘合剂的合成和应用给予了很大的关注。当时，国外出现了许多有关无机粘合剂制备方法和应用的研究报道和专利申请。除了水泥外，无机粘结剂主要有两种：1、水溶性碱金属硅酸盐和硅溶胶；2、水溶性缩合磷酸盐。水溶性碱金属硅酸盐无机粘结剂应用较多，主要用于建筑涂料、防腐涂料、耐高温涂料和耐火材料。水溶性缩合磷酸盐粘结剂应用的不多，主要用于耐火材料，例如高温炉衬等。

水溶性碱金属硅酸盐粘结剂是水稀释性产品，具有无毒、无污染、不燃和耐高温等特点。同时，它完全摆脱了对石油资源的依赖。对于这种粘结剂的制造方法、性能和应用的研究，一直没有停止过，也取得了一些进展。根据报道，一种性能优良的碱金属硅酸盐无机粘结剂应当有良好的固化性能和粘结性能，在固化后有优良的耐水性和耐久性。为此，应尽量减少碱金属的含量，即要有高的模数(SiO₂/Me₂O的分子数之比，Me₂O为碱金属氧化物)。此外，为了保证该粘结剂有好的稳定性，其水溶性无机盐含量应尽可能低。

从三种可用的水溶性碱金属硅酸盐粘结剂性能比较可知，高模数(4.5～10)水溶性硅酸锂是性能最好的一种。但是，用传统的干法(焙烧法)生产不出高模数水溶性硅酸锂，只能采用湿法(浸取法)生产。化学工程师对用湿法生产高模数水溶性硅酸锂做了许多研究工作，企图用简单的方法生产出质优价廉的高模数水溶性硅酸锂。有关的专利报道最早出现于1954年，该专利提出一种制备高模数水溶性硅酸锂的方法。该方法是将市售的碱(NaOH或KOH)稳定的硅溶胶经过离子交换树脂处理，除去钠或钾离子和其它水溶性杂质；此后，加入氢氧化锂溶液，搅拌均匀，再经过室温胶溶熟化，制得模数为4～25的硅酸锂溶液。在1964年到1970年间出现了几份专利报道，其中有两份专利也提出用硅溶胶和氢氧化锂制取高模数水溶性硅酸锂的方法，它们与第一份专利中的方法大同小异。另外两份专利则提出用硅胶和氢氧化锂制备高模数水溶性硅酸锂的方法。这种方法需要在加压(70磅/平方英寸)和高温(150℃)下反应，或者是在加热(80～100℃)和趁热滤出沉淀产品的复杂工艺过程中制得产品。

高模数水溶性硅酸锂粘结剂具有优良的固化性能、耐热性能、抗水性能、耐候性能和耐有机溶剂性能，其应用前景十分广阔。因此，寻找一种简单、便宜的制造高模数水溶性硅酸锂的方法具有十分重要的现实意义。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种新的高模数水溶性硅酸锂的制造方法及其在木材加工中的应用，它的模数可以达到4.5～10之间。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：高模数水溶性硅酸锂的制造方法，它包括下列步骤：(1)、将水合氢氧化锂和去离子水加入不锈钢反应釜中；(2)、在搅拌下，经过反应釜的夹套通入蒸汽或热水，加热升温到85℃；(3)、分次加入二氧化硅；(4)、在加入最后一批二氧化硅后，升温到95℃；(5)、待釜中物料粘度变小时，取样测定固体分，补加因蒸发损失减少的水分，调整到规定的固体份，即可出锅。

其中，分四次加入二氧化硅。

每次加料后均需保温反应约2小时，待稠度降低后方可加下一批二氧化硅。

第(2)步中，升温并维持温度在85±2℃。

第(4)步中，升温并维持在95±2℃，反应约3小时。

在水溶性硅酸锂粘结剂中加入有机硅单体，加入量为水溶性硅酸锂(30％)的1～5％。

在高模数水溶性硅酸锂中加入辅助材料，其中，乳液型粘结剂的加入量可达到混合胶液的20～40％，填充料的加入量可占到混合胶液的15～60％，固化促进剂的加入量占混合胶液的1～5％。

本发明方法所制造的水溶性硅酸锂粘结剂可达到最佳模数范围，即4.5～10；另外，水溶性硅酸锂粘结剂可在木制品加工中应用，用该产品处理过的木制品，具有防火、防潮、防腐烂和防白蚁的功效，用于木材粘结时，可彻底消除三醛胶造成的甲醛对室内空气的污染和对人体的危害。

具体实施方式：

本发明的主要目的是提出一种简单、便宜的高模数水溶性硅酸锂的制造方法。

(1)将水合氢氧化锂和去离子水加入不锈钢反应釜中；(2)在搅拌下，经过反应釜的夹套通入蒸汽或热水，加热升温到85℃，维持温度在85±2℃；(3)分四次加入二氧化硅，每次加料后均需保温反应约2小时；(4)待稠度降低后方可加下一批二氧化硅；在加入最后一批二氧化硅后，升温到95℃，在95±2℃维持反应约3小时；(5)待釜中物料粘度变小时，取样测定固体分，补加因蒸发损失减少的水分，调整到规定的固体份，即可出锅。

反应釜应装有回流冷凝器，尽量减少水分损失。

本方法采用的主要原料为：(1)活性SiO₂材料：沉淀法白炭黑、气相法白炭黑、细分散硅胶以及作为化学工业副产物的其它活性二氧化硅；(2)工业用水合氢氧化锂(LiOH·H₂O)；(3)去离子水。

本发明的另一个目的在于提出水溶性硅酸锂粘结剂的最佳模数范围。在该最佳范围(4.5～10)内，水溶性硅酸锂粘结剂表现出最好的贮存稳定性，优良的固化性能和物理机械性能以及优良的耐水和抗腐蚀性能。水溶性硅酸锂粘结剂的SiO₂含量在20～25％之间，它适合于水溶性硅酸锂的各种用途和施工方法。

本发明的另外一个目的是提出高模数水溶性硅酸锂粘结剂的改性方法。为了适应不同用途的一些特殊要求，需要在水溶性硅酸锂粘结剂中加入一些有机硅单体作为改性剂；例如，三甲氧基甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、二乙氧基二甲基硅烷、甲基硅醇钠和某些偶联剂等。加入量一般为水溶性硅酸锂(30％)的1～5％。这些改性剂可以改善胶液的加工和贮存稳定性、提高胶层的韧性和疏水性以及对颜填料的润湿分散性。

本发明的另外一个目的是将高模数水溶性硅酸锂粘结剂应用于木材加工领域中。在同样的模数下，硅酸锂与硅酸钠或硅酸钾相比，碱性物质含量最少，而且在固化后由于硅酸锂基本上不溶于水，所以它可以在木材加工中应用，不会像硅酸钠和硅酸钾那样有加速木材腐烂的作用。用高模数水溶性硅酸锂溶液浸渍的木材在高温下不燃烧，只会脱水炭化，因此可使木材具有防火阻燃性能。固化后的高模数水溶性硅酸锂胶合层具有优良的耐水性，因此它赋予木材良好的防潮和耐水性能；从而可以防止木材腐烂。此外，曾发现用这种产品处理过的木材能有效地防止白蚁的侵害。在木材的粘结加工中使用高模数水溶性硅酸锂粘合剂可彻底消除三醛胶(尿醛胶、酚醛胶和三聚氰胺甲醛胶)的甲醛对室内环境的污染和对人体的危害。本品在用于木材粘结时，可以与各种乳液型粘结剂(苯丙乳液、PVA乳液、VAE乳液、纯丙乳液和乳胶粉等)拼合使用，乳液的加入量可达到混合胶液的20～40％。此外，可以加入各种填充料，例如：高岭土、硅灰石、碳酸钙、滑石粉、硅藻土和石英粉等，加入量可占到混合胶液的15～60％。为了加速胶层的固化，在配胶时可加入固化促进剂，例如：硼砂、氧化锌、氯化钾、溴化钾、硼酸锌、硼酸钙等，加入量占混合胶液的1～5％。

本发明的技术方案可通过以下具体的实施例做详细地说明：

实施例1：

将去离子水65公斤和水合氢氧化锂(LiOH·H₂O)7.7公斤加入反应釜中，加热升温到85℃，保温和在搅拌下，分四次加入27.3公斤沉淀二氧化硅，每次加料后均需保温反应2小时，待物料稠度降低后加入下一批物料。加入最后一批物料后，升温到95℃保温反应3小时。此后，测定固体分，补加蒸发损失的水，即可出料。该产品模数4.46，固体分为28.5％。

实施例2：

配方：去离子水66.1公斤，水合氢氧化锂6.8公斤，细分散硅胶27.1公斤。

工艺：同实施例1

产品模数5.0，固体分为28.5％

实施例3，高模数水溶性硅酸锂粘结剂的改性方法：

配方：去离子水62.8公斤，水合氢氧化锂6.45公斤，气相白炭黑30.75公斤，二乙氧基二甲基硅烷2公斤。

工艺：同实施例1。在最后的保温阶段结束后，降温到60℃，在1小时内滴加入二乙氧基二甲基硅烷。此后，测定固体分、补加蒸发损失的水，即可出料。本产品模数为6.3，固体分为32％。

实施例4：

本品用于木制品粘结时，配胶实施例。

    硅酸锂溶液(30％)                100

    苯丙乳液(50％)                  18

    硅酸钙(325目)                   30

    氧化锌                          3

在使用现场配制，当日用完。可加压加热加速固化。